发动机辅助制动模拟研究

王志强

摘 要：文章首先研究了分析了发动机辅助制动技术和工作原理，然后又根据实际情况列出了模拟的发动机制动仿真设计。在单因素和多因素参数的基础上分析了发动机辅助制动模型，主要是选择排气门开度、发动机转速和排气背压几个方面展开的模型分析。分析结果表明，这些因素都会受到发动机转速的变化而变化，发动机转速在增加的时候就会加大气缸内的压力，从而使峰值接近最大值;同时发动机转速也会影响制动力，在发动机转速增加的时候也会增加制动力，同时制动力减少会降低制动力矩;发动机转速在恒定的情况下，制动力矩会受制动力矩的影响而变化。制动力矩和减速制动会受到排气门开度值的增加而变大。排气门开度值在增加的时候会增加排气背压，会引起制动力矩变大。

关键词：发动机;辅助制动;排气

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-109-06

Research on Engine Auxiliary Braking Simulation

Wang Zhiqiang^1，2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315800 ）

Abstract： This paper first studied and analyzed the engine auxiliary braking technology and working principle， and then listed the simulated engine braking simulation design according to the actual situation. On the basis of single factor and multi-factor parameters， the engine auxiliary braking model is analyzed， which mainly includes the selection of exhaust valve opening， engine speed and exhaust back pressure. Analysis results show that these factors are subject to changes in engine speed， engine speed will increase the pressure in the cylinder， so that the peak value is close to the maximum; At the same time， the engine speed will also affect the braking force. When the engine speed increases， the braking force will also be increased. At the same time， the braking torque will be reduced when the braking force decreases. Braking torque and braking deceleration will be increased by the increase of exhaust valve opening value. When the exhaust valve opening value increases， the exhaust back pressure will be increased， which will cause greater braking torque.

Keywords： Engine; Auxiliary brake; Exhaust

CLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-109-06

1 發动机辅助制动技术及工作原理

发动机制动装置的工作是在行车过程中产生制动的作用或者在停车的时候发挥制动作用，制动是发动机向后的功率变化产生的，可以起到降低行车速度的作用，还能保证车辆行驶速度的稳定，有效的提高形车安全，从而提高制动系统的使用周期。但是，随着发动机制动产生的制动扭矩变小，事实上有非常多的方法能够降低发动机的驱动。正常情况下发动机制动技术都包括发动机制动、发动机排气、发动机泄漏、发动机减压制动等几个方面，下面就对这几项技术做如下简述。

1.1 发动机制动

发动机制动的工作原理是车行驶惯性的影响而变化的，如果发动机停止工作就会产生向后拖动的力量从而产生制动。这个时候发动机的动力源就转化成消耗汽车动能产生的空气压缩机，可以有效的降低汽车的速度，还能起到减速的作用^[1]。反向，发动机消耗的动能通常都是由机械摩擦或泵气损失或压缩机气体不可逆产生的耗能，比如产生传动和动力所需要的油泵、风扇、发电机和空气压缩机等部位。就发动机而言，发动机工作需要非常多的动能，但是发动机技术的进步和提升也会使机械摩擦的损失降低，同时对制动产生一定的影响。

气缸在发动机中属于非常关键的部件，因此，装有发动机减速器制动装置的气缸盖和气门机构不同于普通发动机。一般情况下，气缸盖的高度超过正常发动机高度，但是其他部位的尺寸都没有变化^[2]。

当发动机停止供油时，离合器接合，变速器不在空档位置，高速车辆反向拖动发动机，将作为动力源的发动机转变成消耗车辆动能并起减速作用的空气压缩机。行车的过程中如果松开加速器或离合器都会降低发动机的能耗。

1.2 发动机排气辅助制动器

排气辅助制动器作为汽车上的辅助制动系统，具有机构简单、成本低廉、运行可靠、操作方便、降低发动机热疲劳、延长发动机使用寿命、配合油门操作节油效果显著、使用寿命长等优点。发动机排气缓速器的作用就是用蝶形阀或者类似有阻力的部件给发动机带来阻力，能够起到提高发动机制动阻力。制动力一般情况下都在发动机固定功率的80%以内，可以有效的降低制动利用率20%，最高可以提升制动摩擦片使用寿命的4倍。事实上，对于具有相同额定功率的发动机，自然吸气汽油发动机的比率通常在上限或超过上限，而配备涡流增压器的发动机的比率通常在下限，显示出制动功率不足的趋势^[3]。由于涡轮增压器给发动机提供驱动力，因此不但可以提高发动机的充电效果，还提高了发动机的驱动率。排气制动器的工作是受到排气制动阀的影响而使排气管功能发挥制动作用，也就是使涡轮增压器不发挥其作用，从而产生制动阻力。

1.2.1 排气辅助制动器的结构

发动机排气辅助制动器中有气缸、摇臂、蝶阀、排气管、控制电路及控制元件多种结构组成，气缸中的活塞杆在受到空气进和出的驱动以后进行直线运动，蝶阀的开关和闭合是受活塞杆和摇臂结构的影响而变化的。蝶阀和排气管相互工作能够有效的发挥摇臂的旋转作用，实现对排气管开关的控制。在发动机上安装排气辅助制动排气装置并与排气管连接到一起，更好的发挥支撑作用，详细见下图1。

含气缸盖、活塞、气缸体、活塞杆、内弹簧、外弹簧等。排气制动缸装置位于进气管上，在连杆控制排气的作用下控制制定蝶阀的打开和关闭^[4]。在压缩空气的作用下使电磁阀通过储气罐直接给排气制动缸提供压力，活塞受到压缩空气的推力，同时活塞杆及活塞都会受到外弹簧和内弹簧的阻力，从而使驱动活塞受到缸轴的压力向内移动。在活塞杆的作用下，摇臂会持续旋转，使蝶阀的开关处于打开和闭合的状态。在这种情况下，蝶阀和排气管的角度是垂直的，从而影响发动机排气管正常工作，间接的影响排气辅助制动器工作。如果排气辅助制动器停止工作，气缸中的压缩器电源就会自动断开，活塞杆及活塞受到内外弹簧的压力使其回到最初的位置。如果活塞回到最初位置，蝶阀平行面就与排气管轴线呈平行状态。

1.2.2 排气辅助制动器的工作原理

发动机的排气辅助制动器是基于发动机制动原理上进行工作的，一般蝶阀或功能相似的部件都位于排气管和消声器之间。如果阀板是打开的状态，排气辅助制动器就不能正常工作，详细下图3（a），不会影响到发动机的正常工作。如果发动机排气辅助制动器是打开的，排气制动蝶阀就会控制排气管的关闭，详细如图3（b），发动机就强制停止对发动机供油。使排气管压力达到294～392KPa。发动机活塞在排气的阻力下会影响发动机的制动。排气冲程会影响发动机曲轴的正常工作。在排气的过程中气缸会因为空气阻力而增加活塞和曲轴的承受阻力，进而使发动机不能正常制动^[5]。驱动轮就会发出较强的减速效果，从而有效的降低车速。

1.3 发动机泄漏辅助制动器

发动机泄漏制动产生于发动机压缩和膨胀的过程内，通过排气阀来控制开口，受到压缩冲程和膨胀冲程的影响，气体冲量就会从排气阀中流出，有效的降低膨胀冲程过程中产生的缸内压力，提高发动机的制动功率。一般情况下漏洞制动器与排气制动器都是一起工作的。

图4的辅助制动器是某公司发明的新设备，通过改进排气辅助制动器，并增加摇臂内的润滑油装置。这时候如果活塞处于排气冲程的下止位置，就會降低缸内的压力，同时排气门的两侧也会有很大的压力，从而使排气门在二次开口的时候开口较小^[6]。如果润滑油的过油通道被支柱或阀门堵住就会影响活塞和摇臂的正常润滑，从而使排气阀的张开口始终都位于压缩和膨胀状态。

2 发动机辅助制动数学模型及性能仿真分析

2.1 发动机辅助制动数学模型

发动机在制动的过程中，气缸如果缺少燃油，发动机就会停止工作。气缸受制动压力的影响其工作介质也不断改变，如果气缸是开放的热力系统，气缸中的各个组织都会受外界物质的影响而改变其能量，在此基础上建立发动机复制制动模型。如果发动机在辅助制动的过程中，受热力学第一定律的影响得出下面的方程式：

U代表了气缸的内能;w是系统完成的轴功;Qi起到交换活塞和气缸周围能量的作用;h是比焓;m是气体质量; h_idm_j代表系统中能量的进与出;φ是发动机的曲柄角;p代表气缸中工作产生压力的介质;v是圆柱体中的体积;r是气体常数;t代表工作中介质的温度;对于发动机制动和排气制动工作过程，能量守恒可具体表示如下：

（1）压缩和膨胀冲程

（2）进气冲程

（3）排气冲程

（4）气门叠开过程

CV代表气缸工作介质的体积热能;HE代表介质进气门之前的温度系数;HS代表介质在进入活塞环的温度函数; u代表气缸内的特定热能。

由此可知，上述公式（2）与质量守恒方程是一样的，公式（3）与理想气体状态是一样的。

在操作发动机制动泄漏的过程中，能量守恒的描述如下：进气冲程与气门重叠过程的公式（7）是一样的，与压缩膨胀冲程一样的方程式是排气冲程式（6），上述公式（2）与质量守恒方程是一样的，上述公式（3）与理想气体状态方程是一样的。

减压过程能量方程为：

其中MR是通过减压阀流出气缸的质量;HR代表减压阀中工作介质的热能量。

外部约束方程如下：

气缸的瞬时容积为：

气缸容积随曲轴转角变化率为：

Vh代表气缸的工作容积;ε是压缩比;λ是曲柄连杆比率。单位曲柄角的热交换是：

其中：ω是发动机的角速度，ω=6n;n是转速;αg是瞬时平均传热系数;A是热交换区;TW代表汽缸壁的平均温度。

发动机辅助制动时的制动扭矩为：

式中，P_N为发动机制动功率。

2.2 发动机辅助制动性能仿真分析

2.2.1 发动机辅助制动性能仿真流程

下图5是模拟计算流程图，详细的分析了发动机辅助制动工作的仿真过程，第一，构建发动机辅助制动仿真;第二，构建模型数据，有排气背压、发动机转速、排气门开度;第三，分析仿真结果。把所有的仿真数据和试验结构做比较，得出结果。

2.2.2 发动机辅助制动性能仿真分析

图6至9分别是发动机制动、排气制动、泄漏制动、减压制动，可知气缸压力p受发动机转速的影响而产生变化，如果发动机转速高就会增加气缸压力的峰值，转速越高就越接近压缩最高值。

从图6和7能够看出，排气制动和发动机制动会受到缸内压力的变化而变化，气缸压力增加的时候影响进气冲程的压缩和膨胀，当时气缸压力和排气冲程是有差别得到。排气背压在增加的时候，如果排气门是打开的状态，气缸中的压力就比排气背压低，空气就会受到阻力回到气缸中，会使气缸压力大^[7]。从图8b可知，泄漏制动中的排气门开口在不断变化的时候，会使缸内压力的差值变大，排气门开口在增加的时候缸内压力的位置也会变化，会离压缩最高点越来越远。如果排气门开度S不断增大，在压缩的时候缸内的工作介质的泄漏速度也会增加，但是会使缸内的最大压力降低。由此可见，发动机转速在增加的同时，曲柄角的通过时间就会速断，泄漏的空气量就会降低，从而增加气缸内的压力，如果在排气的时候，如果行车速度较快就会对控制造成较大的限制，所以说高速比低速产生的缸内压力大。从图9可以看出，在压缩上止点前排气阀打开后，缸内压力大大降低。出现这种情况是由于排气门在打开以后会使气缸中的空气加速排出。发动机转速在增加的时候，会使排气阀排除的空气量在一定时间内降低。由此可知，速度高的时候就会产生较大的缸内压力，越高就越接近压缩最高点的峰值。排气阀的开度处于最大状态的时候，缸内压力的最大值就会降低。基于此，排气门开度值在增加的时候会排出更多的空气，这样就会使气缸内的压缩空气减少，也就更加接近压缩最高峰值。

图10至12分别是发动机制动、排气制动、泄漏制动、减压制动。由此可见，在发动机进行辅助制动的时候，发动机在一定时间内的工作频数会受到转速的影响而变化，转速越快就会使制动扭矩增加，在发动机制动时产生的制动扭矩最小，这是由于发动机是通过反向牵引产生的机械耗能进行制动的，没有其他任何方法提高制动扭矩。

从图10可知，这是因为在排气制动过程中，排气蝶阀关闭，在排气管中建立更高的压力，从而增加了活塞在排气过程中对工作介质所做的功，增加了总制动功和单位时间的制动功，即制动力增加。从图11可知，发动机在低速转动的时候，制定扭矩会受到排气门开度的增加而降低扭矩，但是在发动机高速运转的时候，排气门开度的增加也会使静制动扭矩增大。出现这种情况是由于排气门开度在增加的时候，气缸会泄漏空气，从而导致气缸中的压力减少，会更加接近排气背压的压缩最高值，所以说在压缩过程中如果耗能最低，产生的制动扭矩也会减小。如果排气门开度较小，气缸中的压力就会越接近压缩最高点的值，就会增加压缩冲程中的效果功率，随之膨胀冲程气缸中的空气也会对活塞产生较大的而影响。所以，如果发动机在高速运转时，排气开口也会受到制定扭矩的影响变大;如果发动机低速轉动，排气开口会受到最大制动扭矩的影响变小。在减压制动的过程中，在打开压缩上止点之前排气阀会受到缸内的压力排出介质，缸内压力会越来越低，降低缸内膨胀压力，从而使制度和扭矩减小。从图12可知，发动机在不同速度下会受到排气门开度的变化而变化，发动机转速的增加也会使排气门开度变大。出现这种情况是由于发动机转速越高，在一定时间内由排气阀漏出的气缸空气会减少。排气阀开度在增加的时候会受气流横截面积的影响而变化。由此可见，发动机转动在增加的时候排气门的最大开度也会变大。

发动机排气背压在增加的时候给排气冲程带来更大的额定阻力，影响活塞的正常功率，阻力越大就会使制动扭矩变大。发动机很多时候都采用单一的制动方式，这样会影响发动机的制动效果，因此在正常工作的时候尽量选择多种方法联合的制动模式会更加安全。联合泄漏制动和排气制动不但能够增加排气背压，还会使缸内压力变大，同时使活塞和曲轴受到压缩和排气的影响而产生排气压力，有助于增加发动机的制动扭矩，因为排气门一直都是打开的状态，所以排气门两侧的物质都是相互流动的，这就使排气门两侧的压力差距一直都在固定的范围内，减少二次开启排气门的情况^[8]。图13是描述的辅助制动扭矩受排气背压的影响而变化。

3 发动机辅助制动性能仿真模型试验验证

3.1 发动机制动仿真结果分析

测试装置示意图见图14。缸内压力受非信号电压的影响经过传感器变成电信号，再经过放大器使电信号变大，曲轴上最大点的脉冲信号由仪器采集，模拟信号由模数转换器转换成数字信号，数字信号送至计算机进行数据处理和数据输出。检验并测试发动机的关键参数，如表1所示。

通过图14辅助制动扭矩仿真值与试验值对比可知，当发动机转速n=1600r/min，排气门开度的时候，对比辅助制动产生的气缸压力的实验值和模拟值可知，两组值的结果是一样的，缸内压力变化和最大压力值是一样的。又如图15，如果n=1600r/min和s=0.6mm，比较制动扭矩测试纸和模拟值的结果可知，两组数据的差异只有3.7%，也就说明辅助制动模型的精准度是较高的，这就为发动机辅助制动提供了更加准确的参考数据。

3.2 发动机辅助制动实验验证

从图16可知，发动机转速如果是每分钟1000转、1800转或2600转的时候，缸内压力就会受到曲轴转角的变化而变化。从本文的模拟结果和试验结果的对比压力值可以看出，效果非常好，压力变化趋势和位置都是非常恰当的。从这一点可以看出，此次构建的发动机模型的实用性较强，而且准确度也很好。通过此模型可以更加准确的分析和预测发动机的制动效果。

图17是发动机制动转矩测试值和模拟值的对比分析，从中能够发现仿真结构和试验结果的变化趋势都是一样的，发动机转速会对制动力矩产生相应的影响，发动机转速越快会带动制动力矩。转速不断的增加也会影响发动机的工作频率;同时，发动机转速的增加会影响制动扭矩。

4 结论

通过分析發动机辅助制动装置的模型可知，发动机制动系统会受到排气门开度和发动机转速及排气背压的影响，基于此分析了发动机辅助制动系统的性能，分析结果表明：

第一，发动机在工作的时候会受辅助制动装置的影响，发动机转速在增加的时候气缸内产生较大的压力，发动机转速越快就使压力峰值越高;发动机转速会不同程度的影响制动力矩，转速在增加的同时相应的制动力矩也会变大。制动扭矩减小的同时会导致发动机制动效果减弱。

第二，发动机转速在保持不变的情况下，各种制动都会产生不同的排气门开度值，如果发动机转速增加就会使排气门开度值增大，那么相应的排气背压也会增加，从而使制动力矩变大。

第三，通过测试数据和仿真数据的结果对比可知，两种实验值都具有一致性，也就说明本文构建的仿真模型和计算结果具有较强的可行性，可信度较高。

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